時隔半月！復旦大學彭慧勝院士團隊，再發Nature正刊，在纖維內實現大規模集成電路！

過去幾十年，纖維器件相繼被賦予發電、儲能、顯示、感知等功能，它們可以被編織成柔軟、透氣的智能終端，有望實現“以人為中心”的全新人機交互范式，推動信息、能源、醫療等重要領域革命性發展，甚至催生電子織物等新產業，深刻改變人們生活方式。像手機、電腦等任何電子設備一樣，具有信息處理功能的芯片，是纖維器件走向纖維系統，并實現信息交互功能的核心部件。但長期以來，纖維系統一直依賴連接硬質塊狀芯片，這與其柔軟、可適應復雜變形等應用要求存在根本矛盾，成為整個領域面臨的一個重要挑戰。

復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊跳出傳統芯片集成電路硅基研究范式，建立多層旋疊架構設計思想，在彈性高分子纖維內實現了大規模集成電路（簡稱“纖維芯片”），“纖維芯片”信息處理能力與一些經典商業芯片相當，且具有高度柔軟、適應拉伸扭曲等復雜形變、可編織等獨特優勢，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業變革發展提供關鍵支撐。

上述成果于北京時間1月22日凌晨以《基于多層旋疊架構的纖維集成電路》（“Fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”）為題發表于《自然》主刊（Nature）。復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。

如何在纖維上實現高效信息處理功能，但又不影響纖維器件柔軟、適應復雜形變、可編織等特性，是纖維器件實現規模應用的重要挑戰

纖維器件引起了國內外學術界和工業界的廣泛關注，已成為一個多學科交叉新領域，有望推動信息、能源、醫療等多個領域變革發展。復旦團隊率先提出并實現“纖維器件”，已創建出具有發電、儲能、發光、顯示、生物傳感等功能的一系列新型纖維器件，相關成果多次發表在Nature上。

與智能手機、計算機等各類電子設備的發展路徑相似，要實現纖維器件的大規模應用，必須要將不同功能的纖維器件集成在一起，形成纖維電子系統，并賦予其信息交互功能。

具有信息處理功能的芯片，是實現纖維電子系統和信息交互功能的核心部件，但過去纖維電子系統的集成范式，普遍依賴連接硬質塊狀的芯片電路，這種范式通常會導致系統內電路連接復雜且不穩定，且與纖維柔性、透氣性、輕量化、穿戴舒適性等應用要求存在根本矛盾，極大限制了纖維器件領域發展。因此，亟需發展與纖維器件一維結構和功能適配的高效信息處理器。

設計多層旋疊架構，實現纖維內微型電子器件高集成密度

芯片具有高效的信息處理能力，是現代電子技術的基石。芯片的信息處理功能依賴于大量微型電子元件（如晶體管、電容、電阻等）高度互連所形成的集成電路。縱觀過去芯片的發展歷程，普遍依賴硅基襯底所支撐的光刻制造技術。

“纖維芯片”概念圖

如何柔軟、彈性的高分子纖維內實現高密度集成電路？首先面臨的一個挑戰是，與目前集成電路所用的硅基平面襯底不同，纖維受限于其固有的曲面結構和有限的表面積（每厘米長度纖維僅0.01-0.1平方厘米），很難集成足夠數量的電子元件，以實現高效信息處理能力。

團隊提出多層旋疊架構的設計思想，即在纖維內部構建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結構，從而最大化地利用纖維內部空間。基于實驗結果推算，按照目前實驗室級1微米的光刻精度，長度為1毫米的“纖維芯片”可集成1萬個晶體管，其信息處理能力可與植入式起搏器芯片相當；若“纖維芯片”長度擴展至1米，其集成晶體管數量有望提升至百萬級別，這一集成數量將超過經典計算機中央處理器的晶體管集成水平。

展示 “纖維芯片”多層旋疊架構的三維重構熒光標記照片

發展在彈性高分子上直接光刻芯片電路的制備路線

目前集成電路產業的光刻制備普遍依賴硅晶圓襯底，還很難直接在彈性高分子基底上實現高密度晶體管集成電路的光刻制造，主要面臨三方面難題。首先，常用彈性高分子（如聚二甲基硅氧烷等）表面在微觀尺度很不平整，粗糙度一般為幾十納米，很難滿足集成電路光刻對襯底的平整度要求；其次，目前光刻過程中用到多種極性溶劑，彈性高分子與這些溶劑接觸后極易發生溶脹，難以進行集成電路的穩定光刻制造；最后，集成電路中的很多功能組分，如半導體、金屬導電通路等，很難承受纖維拉伸、扭曲等復雜變形中所引起的局部應變集中，極易引發電路結構脆裂和性能快速失效。

“纖維芯片”及其內部局部電路的光學照片

為此，團隊發展出可在彈性高分子上直接進行光刻高密度集成電路的制備路線。關鍵策略包括：（1）針對彈性高分子表面不平整的問題，采用等離子刻蝕方法，對彈性高分子表明進行平整化處理，將其粗糙度降至1納米以下，有效滿足商業光刻要求，目前光刻精度達到了實驗室級光刻機的最高水平；（2）在彈性襯底上設計一層致密的聚對二甲苯納米膜層，該膜層不僅可以有效抵御光刻過程中各種溶劑侵蝕，還可以與彈性高分子襯底形成交替的“硬-軟模量異質結構”，顯著減小纖維復雜變形過程中的電路層應變，確保電路結構、功能穩定，從而賦予優異的服役穩定性。

硬-軟模量異質結構示意圖和力學模擬分析

團隊所發展的制備方法，可以與目前成熟光刻制造工藝有效兼容，團隊通過研制原型裝置，設計標準制備流程，驗證了規模化制備的可行性。

成卷“纖維芯片”和局部細節照片

所制備的“纖維芯片”中，電子元件（如晶體管）集成密度達10萬個/厘米，通過晶體管與電阻、電容等電子元件高效互連，可實現數字、模擬電路運算等功能，如異或門、與非門、或非門等基礎邏輯門電路，鎖存器等時序邏輯電路，以及與典型心臟起搏器芯片相當的電脈沖調制功能。

“纖維芯片”局部光學顯微鏡照片

相比于傳統芯片，“纖維芯片”還具有優異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復雜形變，如承受彎曲、拉伸、扭轉等變形，甚至在經過水洗、高溫、卡車碾壓后，仍能保持性能穩定。

柔軟的“纖維芯片”在手指上打結照片

“纖維芯片”在卡車碾壓時保持性能穩定

為纖維系統集成提供新路徑，在新興領域展現獨特應用前景

過去，纖維電子系統中信號處理與控制主要依賴連接外部塊狀硬質芯片電路。該集成方式不可避免地引起電路互連復雜、穿戴舒適性差、體內植入安全性低等問題。團隊基于“纖維芯片”，在單根纖維上實現了供電、傳感、顯示、信號處理等功能的一體化集成，有望為纖維系統集成開辟一個新的路徑。該纖維系統 無需連接外部控制或供能模塊，即可自主運行。例如，觸摸纖維表面的壓力傳感位點，通過芯片模塊邏輯運算與驅動適配處理，便可實時調控纖維內有源驅動單元的電流輸出，進而控制發光模塊的亮暗狀態，實現圖案顯示。

在單根纖維上實現多功能一體化集成的示意圖和實物照片

在單根纖維上實現觸控顯示功能，無需外接控制、供能模塊

上述集成方法可擺脫過去纖維系統對外部信息處理設備的依賴，在多個領域展現出獨特應用前景。

在腦機接口領域，傳統腦機接口的電極普遍需要連接硬質的外部信號處理模塊，才能實現有效的信號處理與識別。基于“纖維芯片”技術，有望在一纖維內，集成“傳感-信號處理-刺激輸出”閉環功能系統。團隊初步驗證，在直徑低至50微米的超細纖維上，可同時集成高密度傳感-刺激電極陣列（1024通道/厘米）與信號預處理電路（前置放大單元），具有與腦組織相當的柔性和良好生物安全性，其所采集的神經信號信噪比，與商用外部信號預處理設備相當。該纖維系統有望為腦科學和腦神經疾病診斷與治療提供新的工具。

在腦機接口領域的應用示意圖和纖維系統實物光學照片

在電子織物領域，電子織物被認為是可穿戴設備的終極發展形態，核心挑戰在于，如何實現全柔性的織物系統。基于“纖維芯片”，無需外接處理器，可直接編織構建柔軟、透氣的全柔性電子織物系統。例如，借助“纖維芯片”內置的有源驅動電路，可在織物中實現動態像素顯示。

在虛擬現實領域，目前觸覺接口高度依賴塊狀硬質信號處理模塊，導致與皮膚柔性表面貼合度不足，難以實現精準細致的信號采集與輸出，在遠程醫療機器人手術等精細操作場景中局限性尤為突出。基于“纖維芯片”所構建的智能觸覺手套，兼具高柔性與透氣性，可集成高密度傳感與刺激陣列，精準模擬不同物體的力學觸感，適用于遠程手術組織硬度感知、虛擬道具交互等場景，提升用戶與虛擬環境的交互體驗。

在虛擬現實領域的應用示意圖和概念原型照片

團隊展望指出，未來，還需要通過合成制備先進半導體材料，進一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更復雜應用場景需求。

團隊所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來已經形成了一支多學科交叉研究隊伍，包括中國科學院院士1人，國家杰出/優秀(含海外)青年基金獲得者10人。研究院依托復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程全國重點實驗室，建立了涵蓋化學合成、器件構建、光刻微納加工和中試概念驗證的全鏈條研究平臺。研究院與化學系、材料科學系、先進材料實驗室、信息科學與工程學院、生命科學學院、附屬華山醫院、附屬中山醫院、附屬兒科醫院等單位建立了深度合作關系，還與多家頭部科技公司建立了戰略合作關系，共同建立多家校企聯合實驗室和產業基地，具有長期和高質量的合作基礎，有力支撐研究成果高效轉化和應用。研究院面向全球誠邀具有多學科背景的優秀青年才俊（青年研究員/助理教授）及博士/博士后加盟，依托研究院多學科融合的一流平臺施展才華，共同引領纖維電子材料與器件及其交叉領域的發展。